unidad 6

Comunicaciones ópticas

6.1. PRINCIPIOS DE ÓPTICA

La óptica es una disciplina científica derivada de la física, encargada del estudio de la luz y sus distintos fenómenos que son de gran interés para la física. Estos fenómenos son de mucho interés porque los resultados de muchos experimentos se manifiestan por medio del sentido de la vista como fenómenos de colores. Igual de importante y de interés en cada detalle en el desarrollo histórico y el descubrimiento de los diferentes principios, conceptos y propiedades de la luz que dan origen a esos fenómenos.

 

Alexander Graham Bell, en 1880, experimentó con un aparato al que llamo fotófono. El fotófono era un dispositivo formado con espejos y detectores de selenio, que transmitía ondas sonoras sobre un rayo de luz. Ese fotófono era muy malo, no confiable y no tenía aplicación práctica. En realidad, la luz visible era un medio principal de comunica iones antes de que comenzaran las comunicaciones electrónicas. Durante mucho tiempo se usaron señales de humo para manda mensajes cortos y sencillos. Sin embargo, e] concepto de Bell fue el primer intento de usar un rayo de luz para transportar información.

 

Es impráctica la transmisión de ondas luminosas a través de cualquier distancia útil a través de la atmósfera terrestre, porque el vapor de agua, el oxígeno y las partículas en el aire absorben y atenúan las señales en frecuencia luminosas. En consecuencia, el único tipo práctico de comunicaciones ópticas es el que usa una guía de fibra. En 1930, J. L. Baird, científico inglés, y C. W. Hansell, de Estados Unidos, obtuvieron patentes para barrer y transmitir imágenes de televisión a través de cables de fibra no recubierta. Algunos años después un científico alemán, llamado H. Lamm, transmitió bien imágenes a través de una sola fibra de vidrio. En esa época, la mayoría de las personas consideraban a la óptica de fibras más como juguete o como una gracia de laboratorio y, en con secuencia, no fue sino hasta principios de la década de 1950 que se hicieron avances sustanciales en el campo de las fibras ópticas.

 

En 1951, A. C. S. van Heel de Holanda, y H. H. Hopkins y N. S. Kapany de Inglaterra experimentaron con transmisión de luz a través de haces de fibras. Sus estudios condujeron al desarrollo del fibroscopio flexible, que se usa mucho en el campo de la medicina. Kapany fue quien acuño el término "fibra óptica" en 1956.

 

A fines de la década de 1970 Y principios de la década de 1980, el refinamiento de los cables ópticos, y el desarrollo de fuentes luminosas y detectores de alta calidad y económicos abrió la puerta al desarrollo de sistemas de comunicaciones de alta calidad, alta capacidad, eficientes y económicos, con fibra óptica. A fines de la década de 1980 las pérdidas en las fibras ópticas se redujeron hasta 0.16 dB/km, y en 1988, NEC Corporation estableció un récord de transmisión a gran distancia, al enviar 10 Gbits/s con 80.1 km de fibra óptica. También en 1988, el Instituto Nacional Americano de Normas (ANSI) publicó Synchronous Optical Network (SONET). A mediados de la década de 1990, las redes ópticas para voz y datos era lugar común en Estados Unidos y en gran parte del mundo.

 

6.2 SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS.

 

Un sistema de comunicaciones ópticas está constituido fundamentalmente por un transmisor óptico, un canal de transmisión de fibra óptica y un receptor. Si el sistema es utilizado para comunicar puntos separados por grandes distancias, es necesario incluir repetidores de señal, dependiendo de las pérdidas en el canal a lo largo de la distancia de enlace.

 

La figura 2.1 muestra un esquema de bloques de un sistema de comunicaciones ópticas. El transmisor óptico incluye la fuente de información analógica o digital, el circuito modulador y la fuente óptica. El canal introduce ruido y distorsión. El repetidor recibe la señal atenuada y distorsionada y la regenera a la salida. El receptor incluye el fotodetector y circuitos asociados para recuperar la señal original (demoduladores, decodificadores filtros etc.).

 

El objetivo de todo sistema de comunicaciones es la transmisión de la mayor cantidad de información en el menor tiempo posible, lo que implica que la investigación en este campo se concentre más en los sistemas de comunicaciones de alta velocidad.

6.3. FIBRAS ÓPTICAS

La fibra óptica es un medio de transmisión, empleado habitualmente en redes de datos, consistente en un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser láser o un led.

Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar gran cantidad de datos a una gran distancia, con velocidades similares a las de radio y superiores a las de cable convencional. Son el medio de transmisión por excelencia, al ser inmune a las interferencias electromagnéticas, y también se utilizan para redes locales donde se necesite aprovechar las ventajas de la fibra óptica por sobre otros medios de transmisión.

Proceso de fabricación

Para la creación de la preforma existen cuatro procesos que son principalmente utilizados.

La etapa de fabricación de la preforma puede ser a través de alguno de los siguientes métodos:

      M.C.V.D Modified Chemical Vapor Deposition

Fue desarrollado originalmente por Corning Glass y modificado por los Laboratorios Bell Telephone para su uso industrial. Utiliza un tubo de cuarzo puro de donde se parte y es depositado en su interior la mezcla de dióxido de silicio y aditivos de dopado en forma de capas concéntricas. A continuación en el proceso industrial se instala el tubo en un torno giratorio. El tubo es calentado hasta alcanzar una temperatura comprendida entre 1400 °C y 1600 °C mediante un quemador de hidrógeno y oxígeno. Al girar el torno, el quemador comienza a desplazarse a lo largo del tubo. Por un extremo del tubo se introducen los aditivos de dopado, parte fundamental del proceso, ya que de la proporción de estos aditivos dependerá el perfil final del índice de refracción del núcleo. La deposición de las sucesivas capas se obtienen de las sucesivas pasadas del quemador, mientras el torno gira; quedando de esta forma sintetizado el núcleo de la fibra óptica. La operación que resta es el colapso, se logra igualmente con el continuo desplazamiento del quemador, solo que ahora a una temperatura comprendida entre 1700 °C y 1800 °C. Precisamente es ésta temperatura la que garantiza el ablandamiento del cuarzo, convirtiéndose así el tubo en el cilindro macizo que constituye la preforma. Las dimensiones de la preforma suelen ser de un metro de longitud útil y de un centímetro de diámetro exterior.

      V.A.D Vapor Axial Deposition

Su funcionamiento se basa en la técnica desarrollada por la Nippon Telephone and Telegraph (N.T.T), muy utilizado en Japón por compañías dedicadas a la fabricación de fibras ópticas. La materia prima que utiliza es la misma que el método M.C.V.D, su diferencia con éste radica, que en este último solamente se depositaba el núcleo, mientras que en este además del núcleo de la FO se deposita el revestimiento. Por esta razón debe cuidarse que en la zona de deposición axial o núcleo, se deposite más dióxido de germanio que en la periferia, lo que se logran a través de la introducción de los parámetros de diseño en el software que sirve de apoyo en el proceso de fabricación. A partir de un cilindro de vidrio auxiliar que sirve de soporte para la preforma, se inicia el proceso de creación de ésta, depositándose ordenadamente los materiales, a partir del extremo del cilindro quedando así conformada la llamada "preforma porosa". Conforme su tasa de crecimiento se va desprendiendo del cilindro auxiliar de vidrio. El siguiente paso consiste en el colapsado, donde se somete la preforma porosa a una temperatura comprendida entre los 1.500 °C y 1.700 °C, lográndose así el reblandecimiento del cuarzo. Quedando convertida la preforma porosa hueca en su interior en el cilindro macizo y transparente, mediante el cual se suele describir la preforma.

Comparado con el método anterior (M.C.V.D) tiene la ventaja de que permite obtener preformas con mayor diámetro y mayor longitud, a la vez que precisa un menor aporte energético. El inconveniente más destacado es la sofisticación del equipamiento necesario para su realización.

      O.V.D Outside Vapor Deposition

Desarrollado por Corning Glass Work. Parte de una varilla de substrato cerámica y un quemador. En la llama del quemador son introducidos los cloruros vaporosos y ésta caldea la varilla. A continuación se realiza el proceso denominado síntesis de la preforma, que consiste en el secado de la misma mediante cloro gaseoso y el correspondiente colapsado de forma análoga a los realizados con el método V.A.D, quedando así sintetizados el núcleo y revestimiento de la preforma.

Entre las Ventajas, es de citar que las tasas de deposición que se alcanzan son del orden de 4.3g/min, lo que representa una tasa de fabricación de FO de 5km/h, habiendo sido eliminadas las pérdidas iniciales en el paso de estirado de la preforma. También es posible la fabricación de fibras de muy baja atenuación y de gran calidad mediante la optimización en el proceso de secado, porque los perfiles así obtenidos son lisos y sin estructura anular reconocible.

      P.C.V.D Plasma Chemical Vapor Deposition

Es desarrollado por Philips, se caracteriza por la obtención de perfiles lisos sin estructura anular reconocible. Su principio se basa en la oxidación de los cloruros de silicio y germanio, creando en éstos un estado de plasma, seguido del proceso de deposición interior.

Etapa de estiramiento de la preforma

Cualquier técnica que se utilice que permita la construcción de la preforma es común en todos los procesos de estiramiento de ésta. La técnica consiste básicamente en la existencia de un horno tubular abierto en cuyo interior se somete la preforma a una temperatura de 2000 °C para lograr el reblandecimiento del cuarzo y que quede fijo el diámetro exterior de la FO. Este diámetro se ha de mantener constante mientras se aplica una tensión sobre la preforma. Para lograr esto, los factores que lo permiten son precisamente la constancia y uniformidad de la tensión de tracción y la ausencia de corrientes de convección en el interior del horno. En este proceso se debe cuidar que la atmósfera interior del horno esté aislada de partículas provenientes del exterior para evitar que la superficie reblandecida de la FO pueda ser contaminada, o que se puedan crear microfisuras con la consecuente inevitable rotura de la fibra. Aquí es donde también se aplica a la fibra un material sintético que generalmente es un polímero viscoso, el cual posibilita las elevadas velocidades de estirado comprendidas entre 1m/sg y 3m/sg, formándose así una capa uniforme sobre la fibra totalmente libre de burbujas e impurezas. Posteriormente se pasa al endurecimiento de la protección antes descrita, quedando así la capa definitiva de polímero elástico. Esto se realiza habitualmente mediante procesos térmicos o a través de procesos de reacciones químicas mediante el empleo de radiaciones ultravioletas.                   

Aplicaciones

Su uso es muy variado: desde comunicaciones digitales y joyas, pasando por sensores y llegando a usos decorativos, como árboles de Navidad, veladores y otros elementos similares. Aplicaciones de la fibra monomodo: Cables submarinos, cables interurbanos, etc.

1998 joya en Fibra óptica oro blanco y diamantes ganadora de competencia de design en Tokio.

ü  Comunicaciones con fibra óptica

La fibra óptica se emplea como medio de transmisión en redes de telecomunicaciones ya que por su flexibilidad los conductores ópticos pueden agruparse formando cables. Las fibras usadas en este campo son de plástico o de vidrio y algunas veces de los dos tipos. Por la baja atenuación que tienen, las fibras de vidrio son utilizadas en medios interurbanos.

ü  Sensores de fibra óptica

Las fibras ópticas se pueden utilizar como sensores para medir: tensión, temperatura, presión y otros parámetros. Su tamaño pequeño y el hecho de que por ellas no circula corriente eléctrica les dan ciertas ventajas respecto a los sensores eléctricos.

Las fibras ópticas se utilizan como hidrófonos para los sismos o aplicaciones de sonar. Se han desarrollado sistemas hidrofónicos con más de 100 sensores usando la fibra óptica. Los hidrófonos son usados por la industria de petróleo así como las marinas de guerra de algunos países. La compañía alemana Sennheiser desarrolló un micrófono que trabaja con láser y fibras ópticas.

Se han desarrollado sensores de fibra óptica para el temperatura y presión de pozos petrolíferos. Estos sensores pueden trabajar a mayores temperaturas que los sensores de semiconductores.

Otro uso de la fibra óptica como un sensor es el giróscopo de fibra óptica que usa el Boeing 767 y el uso en microsensores del hidrógeno.

ü  Iluminación

Otro uso que le podemos dar a la fibra óptica es la iluminación de cualquier espacio. En los últimos años las fibras ópticas han empezado a ser muy utilizadas debido a las ventajas que este tipo de iluminación representa.

Entre las ventajas de la iluminación por fibra podemos mencionar:

o   Ausencia de electricidad y calor: Esto se debe a que la fibra sólo tiene la capacidad de transmitir los haces de luz, además de que la lámpara que ilumina la fibra no está en contacto directo con la misma.

o   Se puede cambiar el color de la iluminación sin necesidad de cambiar la lámpara: Esto se debe a que la fibra puede transportar el haz de luz de cualquier color sin importar el color de la fibra.

o   Por medio de fibras, con una sola lámpara se puede hacer una iluminación más amplia : Esto es debido a que con una lámpara se puede iluminar varias fibras y colocarlas en diferentes lugares.

ü  Más usos de la fibra óptica

·         Se puede usar como una guía de onda en aplicaciones médicas o industriales en las que es necesario guiar un haz de luz hasta un blanco que no se encuentra en la línea de visión.

·         La fibra óptica se puede emplear como sensor para medir tensiones, temperatura, presión así como otros parámetros.

·         Es posible usar latiguillos de fibra junto con lentes para fabricar instrumentos de visualización largos y delgados llamados endoscopios. Los endoscopios se usan en medicina para visualizar objetos a través de un agujero pequeño. Los endoscopios industriales se usan para propósitos similares, como por ejemplo, para inspeccionar el interior de turbinas.

·         Las fibras ópticas se han empleado también para usos decorativos incluyendo iluminación, árboles de Navidad.

·         Líneas de abonado

·         Las fibras ópticas son muy usadas en el campo de la iluminación. Para edificios donde la luz puede ser recogida en la azotea y ser llevada mediante fibra óptica a cualquier parte del edificio.

·         Se emplea como componente en la confección del hormigón translúcido, invención creada por el arquitecto húngaro Ron Losonczi, que consiste en una mezcla de hormigón y fibra óptica formando un nuevo material que ofrece la resistencia del hormigón pero adicionalmente, presenta la particularidad de dejar traspasar la luz de par en par.

Características

Núcleo y revestimiento de la fibra óptica.

La fibra óptica es una guía de ondas dieléctrica que opera a frecuencias ópticas.

Cada filamento consta de un núcleo central de plástico o cristal (óxido de silicio y germanio) con un alto índice de refracción, rodeado de una capa de un material similar con un índice de refracción ligeramente menor. Cuando la luz llega a una superficie que limita con un índice de refracción menor, se refleja en gran parte, cuanto mayor sea la diferencia de índices y mayor el ángulo de incidencia, se habla entonces de reflexión interna total.

En el interior de una fibra óptica, la luz se va reflejando contra las paredes en ángulos muy abiertos, de tal forma que prácticamente avanza por su centro. De este modo, se pueden guiar las señales luminosas sin pérdidas por largas distancias.

A lo largo de toda la creación y desarrollo de la fibra óptica, algunas de sus características han ido cambiando para mejorarla. Las características más destacables de la fibra óptica en la actualidad son:

·         Cobertura más resistente: La cubierta contiene un 25% más material que las cubiertas convencionales.

·         Uso dual (interior y exterior): La resistencia al agua y emisiones ultravioleta, la cubierta resistente y el funcionamiento ambiental extendido de la fibra óptica contribuyen a una mayor confiabilidad durante el tiempo de vida de la fibra.

·         Mayor protección en lugares húmedos: Se combate la intrusión de la humedad en el interior de la fibra con múltiples capas de protección alrededor de ésta, lo que proporciona a la fibra, una mayor vida útil y confiabilidad en lugares húmedos.

·         Empaquetado de alta densidad: Con el máximo número de fibras en el menor diámetro posible se consigue una más rápida y más fácil instalación, donde el cable debe enfrentar dobleces agudos y espacios estrechos. Se ha llegado a conseguir un cable con 72 fibras de construcción súper densa cuyo diámetro es un 50% menor al de los cables convencionales.

Funcionamiento

Los principios básicos de su funcionamiento se justifican aplicando las leyes de la óptica geométrica, principalmente, la ley de la refracción (principio de reflexión interna total) y la ley de Snell.

Su funcionamiento se basa en transmitir por el núcleo de la fibra un haz de luz, tal que este no atraviese el revestimiento, sino que se refleje y se siga propagando. Esto se consigue si el índice de refracción del núcleo es mayor al índice de refracción del revestimiento, y también si el ángulo de incidencia es superior al ángulo límite.

Ventajas

ü  Una banda de paso muy ancha, lo que permite flujos muy elevados (del orden del Ghz).

ü  Pequeño tamaño, por lo tanto ocupa poco espacio.

ü  Gran flexibilidad, el radio de curvatura puede ser inferior a 1 cm, lo que facilita la instalación enormemente.

ü  Gran ligereza, el peso es del orden de algunos gramos por kilómetro, lo que resulta unas nueve veces menos que el de un cable convencional.

ü  Inmunidad total a las perturbaciones de origen electromagnético, lo que implica una calidad de transmisión muy buena, ya que la señal es inmune a las tormentas, chisporroteo...

ü  Gran seguridad: la intrusión en una fibra óptica es fácilmente detectable por el debilitamiento de la energía lumínica en recepción, además, no radia nada, lo que es particularmente interesante para aplicaciones que requieren alto nivel de confidencialidad.

ü  No produce interferencias.

ü  Insensibilidad a los parásitos, lo que es una propiedad principalmente utilizada en los medios industriales fuertemente perturbados (por ejemplo, en los túneles del metro). Esta propiedad también permite la coexistencia por los mismos conductos de cables ópticos no metálicos con los cables de energía eléctrica.

ü  Atenuación muy pequeña independiente de la frecuencia, lo que permite salvar distancias importantes sin elementos activos intermedios. Puede proporcionar comunicaciones hasta los 70 km. antes de que sea necesario regenerar la señal, además, puede extenderse a 150 km. utilizando amplificadores láser.

ü  Gran resistencia mecánica (resistencia a la tracción, lo que facilita la instalación).

ü  Resistencia al calor, frío, corrosión.

ü  Facilidad para localizar los cortes gracias a un proceso basado en la telemetría, lo que permite detectar rápidamente el lugar y posterior reparación de la avería, simplificando la labor de mantenimiento.

ü  Con un coste menor respecto al cobre.

ü  Factores ambientales.

Desventajas

A pesar de las ventajas antes enumeradas, la fibra óptica presenta una serie de desventajas frente a otros medios de transmisión, siendo las más relevantes las siguientes:

Ø  La alta fragilidad de las fibras.

Ø  Necesidad de usar transmisores y receptores más costosos.

Ø  Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar, especialmente en el campo, lo que dificulta las reparaciones en caso de ruptura del cable.

Ø  No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores intermedios.

Ø  La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversión eléctrica-óptica.

Ø  La fibra óptica convencional no puede transmitir potencias elevadas.2

Ø  No existen memorias ópticas.

Ø  La fibra óptica no transmite energía eléctrica, esto limita su aplicación donde el terminal de recepción debe ser energizado desde una línea eléctrica. La energía debe proveerse por conductores separados.

Ø  Las moléculas de hidrógeno pueden difundirse en las fibras de silicio y producir cambios en la atenuación. El agua corroe la superficie del vidrio y resulta ser el mecanismo más importante para el envejecimiento de la fibra óptica.

Ø  Incipiente normativa internacional sobre algunos aspectos referentes a los parámetros de los componentes, calidad de la transmisión y pruebas.

Tipos

Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el interior de una fibra se denominan modos de propagación. Y según el modo de propagación tendremos dos tipos de fibra óptica: multimodo y monomodo.

Tipos de fibra óptica

      Fibra multimodo

Una fibra multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más de un modo o camino. Esto supone que no llegan todos a la vez. Una fibra multimodo puede tener más de mil modos de propagación de luz. Las fibras multimodo se usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 2 km, es simple de diseñar y económico.

El núcleo de una fibra multimodo tiene un índice de refracción superior, pero del mismo orden de magnitud, que el revestimiento. Debido al gran tamaño del núcleo de una fibra multimodo, es más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión.

Dependiendo el tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos tipos de fibra multimodo:

Índice escalonado: en este tipo de fibra, el núcleo tiene un índice de refracción constante en toda la sección cilíndrica, tiene alta dispersión modal.

Índice gradual: mientras en este tipo, el índice de refracción no es constante, tiene menor dispersión modal y el núcleo se constituye de distintos materiales.

Además, según el sistema ISO 11801 para clasificación de fibras multimodo según su ancho de banda se incluye el +pichar (multimodo sobre láser) a los ya existentes OM1 y OM2 (multimodo sobre LED).

·         OM1: Fibra 62.5/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisores

·         OM2: Fibra 50/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisores

·         OM3: Fibra 50/125 µm, soporta hasta 10 Gigabit Ethernet (300 m), usan láser (VCSEL) como emisores.

Bajo OM3 se han conseguido hasta 2000 MHz km (10 Gbit/s), es decir, una velocidades 10 veces mayores que con OM1.

      Fibra monomodo

Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de luz. Se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño (8,3 a 10 micrones) que sólo permite un modo de propagación. Su transmisión es paralela al eje de la fibra. A diferencia de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar grandes distancias (hasta 400 km máximo, mediante un láser de alta intensidad) y transmitir elevadas tasas de información (decenas de Gbit/s).

Componentes de la fibra óptica

Dentro de los componentes que se usan en la fibra óptica caben destacar los siguientes: los conectores, el tipo de emisor del haz de luz, los conversores de luz, etc.

Transmisor de energía óptica. Lleva un modulador para transformar la señal electrónica entrante a la frecuencia aceptada por la fuente luminosa, la cual convierte la señal electrónica (electrones) en una señal óptica (fotones) que se emite a través de la fibra óptica.

Detector de energía óptica. Normalmente es un fotodiodo que convierte la señal óptica recibida en electrones (es necesario también un amplificador para generar la señal)

Su componente es el silicio y se conecta a la fuente luminosa y al detector de energía óptica. Dichas conexiones requieren una tecnología compleja.

Tipos de pulido

Los extremos de la fibra necesitan un acabado específico en función de su forma de conexión. Los acabados más habituales son:

·         Plano: Las fibras se terminan de forma plana perpendicular a su eje.

·         PC: (Phisical Contact) Las fibras son terminadas de forma convexa, poniendo en contacto los núcleos de ambas fibras.

·         SPC: (Super PC) Similar al PC pero con un acabado más fino. Tiene menos pérdidas de retorno.

·         UPC: (Ultra PC) Similar al anterior pero aún mejor.

·         Enhanced UPC: Mejora del anterior para reducir las pérdidas de retorno.

·         APC: (Angled PC) Similar al UPC pero con el plano de corte ligeramente inclinado. Proporciona unas pérdidas similares al Enhanced UPC.

Tipos de conectores

Estos elementos se encargan de conectar las líneas de fibra a un elemento, ya puede ser un transmisor o un receptor. Los tipos de conectores disponibles son muy variados, entre los que podemos encontrar se hallan los siguientes:

·         FC, que se usa en la transmisión de datos y en las telecomunicaciones.

·         FDDI, se usa para redes de fibra óptica.

·         LC y MT-Array que se utilizan en transmisiones de alta densidad de datos.

·         SC y SC-Dúplex se utilizan para la transmisión de datos.

·         ST o BFOC se usa en redes de edificios y en sistemas de seguridad.

Emisores del haz de luz

Estos dispositivos se encargan de convertir la señal eléctrica en señal luminosa, emitiendo el haz de luz que permite la transmisión de datos, estos emisores pueden ser de dos tipos:

·         LEDs. Utilizan una corriente de 50 a 100 mA, su velocidad es lenta, solo se puede usar en fibras multimodo, pero su uso es fácil y su tiempo de vida es muy grande, además de ser económicos.

·         Láseres. Este tipo de emisor usa una corriente de 5 a 40 mA, son muy rápidos, se puede usar con los dos tipos de fibra, monomodo y multimodo, pero por el contrario su uso es difícil, su tiempo de vida es largo pero menor que el de los LEDs y también son mucho más costosos.

Conversores luz-corriente eléctrica

Este tipo de dispositivos convierten las señales luminosas que proceden de la fibra óptica en señales eléctricas. Se limitan a obtener una corriente a partir de la luz modulada incidente, esta corriente es proporcional a la potencia recibida, y por tanto, a la forma de onda de la señal moduladora.

Se fundamenta en el fenómeno opuesto a la recombinación, es decir, en la generación de pares electrón-hueco a partir de los fotones. El tipo más sencillo de detector corresponde a una unión semiconductora P-N.

Las condiciones que debe cumplir un fotodetector para su utilización en el campo de las comunicaciones, son las siguientes:

·         La corriente inversa (en ausencia de luz) debe ser muy pequeña, para así poder detectar señales ópticas muy débiles (alta sensibilidad).

·         Rapidez de respuesta (gran ancho de banda).

·         El nivel de ruido generado por el propio dispositivo ha de ser mínimo.

Hay dos tipos de detectores: los fotodiodos PIN y los de avalancha APD.

·         Detectores PIN: su nombre viene de que se componen de una unión P-N y entre esa unión se intercala una nueva zona de material intrínseco (I), la cual mejora la eficacia del detector.

Se utiliza principalmente en sistemas que permiten una fácil discriminación entre posibles niveles de luz y en distancias cortas.

·         Detectores APD: los fotodiodos de avalancha son fotodetectores que muestran, aplicando un alto voltaje en inversa, un efecto interno de ganancia de corriente (aproximadamente 100), debido a la ionización de impacto (efecto avalancha). El mecanismo de estos detectores consiste en lanzar un electrón a gran velocidad (con la energía suficiente), contra un átomo para que sea capaz de arrancarle otro electrón.

Estos detectores se pueden clasificar en tres tipos:

·         de silicio: presentan un bajo nivel de ruido y un rendimiento de hasta el 90% trabajando en primera ventana. Requieren alta tensión de alimentación (200-300V).

·         de germanio: aptos para trabajar con longitudes de onda comprendidas entre 1000 y 1300 nm y con un rendimiento del 70%.

·         de compuestos de los grupos III y V.

Cables de fibra óptica

Un cable de fibra óptica está compuesto por un grupo de fibras ópticas por el cual se transmiten señales luminosas. Las fibras ópticas comparten su espacio con hiladuras de aramida que le confieren la necesaria resistencia a la tracción.

Los cables de fibra óptica proporcionan una alternativa sobre los coaxiales en la industria de la electrónica y las telecomunicaciones. Así, un cable con 8 fibras ópticas tiene un tamaño bastante más pequeño que los utilizados habitualmente, puede soportar las mismas comunicaciones que 60 cables de 1623 pares de cobre o 4 cables coaxiales de 8 tubos, todo ello con una distancia entre repetidores mucho mayor.

Un cable de fibra óptica está compuesto por un grupo de fibras ópticas por el cual se transmiten señales luminosas. Las fibras ópticas comparten su espacio con hiladuras de aramida que le confieren la necesaria resistencia a la tracción.

Los cables de fibra óptica proporcionan una alternativa sobre los coaxiales en la industria de la electrónica y las telecomunicaciones. Así, un cable con 8 fibras ópticas tiene un tamaño bastante más pequeño que los utilizados habitualmente, puede soportar las mismas comunicaciones que 60 cables de 1623 pares de cobre o 4 cables coaxiales de 8 tubos, todo ello con una distancia entre repetidores mucho mayor.

La “fibra óptica” no se suele emplear tal y como se obtiene tras su proceso de creación (tan sólo con el revestimiento primario), sino que hay que dotarla de más elementos de refuerzo que permitan su instalación sin poner en riesgo al vidrio que la conforma. Es un proceso difícil de llevar a cabo, ya que el vidrio es quebradizo y poco dúctil. Además, la sección de la fibra es muy pequeña, por lo que la resistencia que ofrece a romperse es prácticamente nula. Es por tanto necesario protegerla mediante la estructura que denominamos cable.

Las funciones del cable

Las funciones del cable de fibra óptica son varias. Actúa como elemento de protección de la(s) fibra(s) óptica(s) que hay en su interior frente a daños y fracturas que puedan producirse tanto en el momento de su instalación como a lo largo de la vida útil de ésta. Además, proporciona suficiente consistencia mecánica para que pueda manejarse en las mismas condiciones de tracción, compresión, torsión y medioambientales que los cables de conductores. Para ello incorporan elementos de refuerzo y aislamiento frente al exterior.

Instalación y explotación

Referente a la instalación y explotación del cable, nos encontramos frente a la cuestión esencial de qué tensión es la máxima que debe admitirse durante el tendido para que el cable no se rompa y se garantice una vida media de unos 20 años.

Técnicas de empalme: Los tipos de empalmes pueden ser:

·         Empalme mecánico con el cual se pueden provocar pérdidas del orden de 0,5 dB.

·         Empalme con pegamentos con el cual se pueden provocar pérdidas del orden de 0,2 dB.

·         Empalme por fusión de arco eléctrico con el cual se logran pérdidas del orden de 0,02 dB.

Pérdida en los cables de Fibra Óptica

A la pérdida de potencia a través del medio se conoce como Atenuación, es expresada en decibelios, con un valor positivo en dB, es causada por distintos motivos, como la disminución en el ancho de banda del sistema, velocidad, eficiencia. La fibra de tipo multimodal, tiene mayor pérdida debido a que la onda luminosa se dispersa originada por las impurezas. Las principales causas de pérdida en el medio son:

·         Pérdidas por absorción. Ocurre cuando las impurezas en la fibra absorben la luz, y esta se convierte en energía calorífica; las pérdidas normales van de 1 a 1000 dB/km.

·         Pérdida de Rayleigh. En el momento de la manufactura de la fibra, existe un momento donde no es líquida ni sólida y la tensión aplicada durante el enfriamiento puede provocar microscópicas irregularidades que se quedan permanentemente; cuando los rayos de luz pasan por la fibra, estos se difractan haciendo que la luz vaya en diferentes direcciones.

·         Dispersión cromática. Esta dispersión sólo se observa en las fibras tipo unimodal, ocurre cuando los rayos de luz emitidos por la fuente y se propagan sobre el medio, no llegan al extremo opuesto en el mismo tiempo; esto se puede solucionar cambiando el emisor fuente.

·         Pérdidas por radiación. Estas pérdidas se presentan cuando la fibra sufre de dobleces, esto puede ocurrir en la instalación y variación en la trayectoria, cuando se presenta discontinuidad en el medio.

·         Dispersión modal. Es la diferencia en los tiempos de propagación de los rayos de luz.

·         Pérdidas por acoplamiento. Las pérdidas por acoplamiento se dan cuando existen uniones de fibra, se deben a problemas de alineamiento.

Conectores

Los conectores más comunes usados en la fibra óptica para redes de área local son los conectores ST, LC, FC Y SC.

El conector SC (Set and Connect) es un conector de inserción directa que suele utilizarse en conmutadores Ethernet de tipo Gigabit. El conector ST (Set and Twist) es un conector similar al SC, pero requiere un giro del conector para su inserción, de modo similar a los conectores coaxiales.

6.4. LASER

Un láser (de la sigla inglesa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherente tanto espacial como temporalmente. La coherencia espacial se corresponde con la capacidad de un haz para permanecer con un pequeño tamaño al transmitirse por el vacío en largas distancias y la coherencia temporal se relaciona con la capacidad para concentrar la emisión en un rango espectral muy estrecho.

Es decir, es un dispositivo que emite luz (radiación electromagnética) a través de un proceso conocido como emisión estimulada. El término láser es un acrónimo para la amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. La luz láser es generalmente coherente, lo que significa que la luz es emitida en un estrecho de baja divergencia del haz, o se puede convertir en una con  la ayuda de componentes ópticos tales como lentes.

El primer láser fue demostrado el 16 de mayo de 1960 por Theodore Maiman en el Hughes Research Laboratories. Cuando se inventó por primera vez, se les llamaba "una solución buscando un problema". Desde entonces, los láseres se han convertido en uno de varios millones de dólares de la industria, la búsqueda de la utilidad en miles de aplicaciones muy variadas. La primera aplicación de los láseres visibles en la vida cotidiana de la población en general era el supermercado de código de barras escáner, introducido en 1974. El reproductor de laserdisc, introducido en 1978, fue el primer producto de consumo con éxito para incluir un láser, pero el reproductor de discos compactos fue el primer dispositivo equipado con láser que llegó a ser verdaderamente común en los hogares de los consumidores, a partir de 1982. Estos dispositivos de almacenaje ópticos usan un láser de semiconductor de menos de un milímetro de ancho para explorar la superficie de la disco para la recuperación de datos. La comunicación de fibra óptica confía en lásers para transmitir las cantidades grandes de información en la velocidad de luz. Otros usos comunes de lásers incluyen impresoras de láser e indicadores de láser. Los lásers son usados en la medicina en áreas como "la cirugía sin sangre", la cirugía de ojo de láser, y la microdisección de captura de láser y en usos militares como sistemas de defensa de misil, contramedidas electrópticas (EOCM), y LIDAR. Los lásers también son usados en hologramas, juegos de luces de láser, y el retiro de pelo de láser.

Elementos básicos de un láser

Ejemplo de dispositivo de emisión laser típico:

1. Medio activo con ganancia óptica

2. Energía de bombeo para el láser

3. Espejo de alta reflectancia

4. Espejo de acoplamiento o salida

5. Emisión del haz láser

Un láser típico consta de tres elementos básicos de operación. Una cavidad óptica resonante, en la que la luz puede circular, que consta habitualmente de un par de espejos de los cuales uno es de alta reflectancia (cercana al 100%) y otro conocido como acoplador, que tiene una reflectancia menor y que permite la salida de la radiación laser de la cavidad. Dentro de esta cavidad resonante se sitúa un medio activo con ganancia óptica, que puede ser sólido, líquido o gaseoso (habitualmente el gas se encontrará en estado de plasma parcialmente ionizado) que es el encargado de amplificar la luz. Para poder amplificar la luz, este medio activo necesita un cierto aporte de energía, llamada comúnmente bombeo. Este bombeo es generalmente un haz de luz (bombeo óptico) o una corriente eléctrica (bombeo eléctrico).

·         Cavidad láser

La cavidad óptica resonante conocida también como cavidad láser existe en la gran mayoría de los dispositivos láser y sirve para mantener la luz circulando a través del medio activo el mayor número de veces posible. Generalmente está compuesta de dos espejos dieléctricos que permiten reflectividades controladas que pueden ser muy altas para determinadas longitudes de onda. El espejo de alta reflectividad refleja cerca del 100% de la luz que recibe y el espejo acoplador o de salida, un porcentaje ligeramente menor. Estos espejos pueden ser planos o con determinada curvatura, que cambia su régimen de estabilidad. Según el tipo de láser, estos espejos se pueden construir en soportes de vidrio o cristales independientes o en el caso de algunos láseres de estado sólido pueden construirse directamente en las caras del medio activo, disminuyendo las necesidades de alineación posterior y las pérdidas por reflexión en las caras del medio activo.

Algunos láseres de excímero o la mayoría de los láser de nitrógeno, no utilizan una cavidad propiamente dicha, en lugar de ello un sólo espejo reflector se utiliza para dirigir la luz hacia la apertura de salida. Otros láser como los construidos en microcavidades ópticas7 emplean fenómenos como la reflexión total interna para confinar la luz sin utilizar espejos.

·         Medio activo

El medio activo es el medio material donde se produce la amplificación óptica. Puede ser de muy diversos materiales y es el que determina en mayor medida las propiedades de la luz láser, longitud de onda, emisión contínua o pulsada, potencia, etc. El medio activo es donde ocurren los procesos de excitación (electróncica o de estados vibracionales) mediante bombeo de energía, emisión espontánea y emisión estimulada de radiación. Para que se dé la condición láser, es necesario que la ganancia óptica del medio activo sea inferior a las pérdidas de la cavidad más las pérdidas del medio. Dado que la ganancia óptica es el factor limitante en la eficiencia del láser, se tiende a buscar medios materiales que la maximicen, minimizando las pérdidas, es por esto que si bien casi cualquier material puede utilizarse como medio activo 8 , sólo algunas decenas de materiales son utilizados eficientemente para producir láseres. Con mucha diferencia, los láseres más abundantes en el mundo son los de semiconductor. Pero también son muy comunes los láseres de estado sólido y en menos medida los de gas. Otros medios son utilizados principalmente en investigación o en aplicaciones industriales o médicas muy concretas.

·         Bombeo

Para que el medio activo pueda amplificar la radiación, es necesario excitar sus niveles electrónicos o vibracionales de alguna manera. Comúnmente un haz de luz (bombeo óptico) de una lámpara de descarga u otro láser o una corriente eléctrica (bombeo eléctrico) son empleados para alimentar al medio activo con la energía necesaria. El bombeo óptico se utiliza habitualmente en láseres de estado sólido (cristales y vidrios) y láseres de colorante (líquidos y algunos polímeros) y el bombeo eléctrico es el preferido en láseres de semiconductor y de gas. En algunas raras ocasiones se utilizan otros esquemas de bombeo que le dan su nombre, por ejemplo a los láseres químicos o láseres de bombeo nuclear9 que utilizan la energía de la fisión nuclear. Debido a las múltiples pérdidas de energía en todos los procesos involucrados, la potencia de bombeo siempre es menor a la potencia de emisión láser.

Clasificación de láseres según UNE EN 60825-1 /A2-2002

Según la peligrosidad de los láseres y en función del Límite de Emisión Accesible (LEA) se pueden clasificar los láseres en las siguientes categorías de riesgo:

o   Clase 1: Seguros en condiciones razonables de utilización.

o   Clase 1M: Como la Clase 1, pero no seguros cuando se miran a través de instrumentos ópticos como lupas o binoculares.

o   Clase 2: Láseres visibles (400 a 700 nm). Los reflejos de aversión protegen el ojo aunque se utilicen con instrumentos ópticos.

o   Clase 2M: Como la Clase 2, pero no seguros cuando se utilizan instrumentos ópticos.

o   Clase 3R: Láseres cuya visión directa es potencialmente peligrosa pero el riesgo es menor y necesitan menos requisitos de fabricación y medidas de control que la Clase 3B.

o   Clase 3B: La visión directa del haz es siempre peligrosa, mientras que la reflexión difusa es normalmente segura.

o   Clase 4: La exposición directa de ojos y piel siempre es peligrosa y la reflexión difusa normalmente también. Pueden originar incendios y explosiones.

Aplicaciones del láser en la vida cotidiana

ü  Telecomunicaciones: comunicaciones ópticas (fibra óptica), Radio Over Fiber.

ü  Medicina: operaciones sin sangre, tratamientos quirúrgicos, ayudas a la cicatrización de heridas, tratamientos de piedras en el riñón, operaciones de vista, operaciones odontológicas.

ü  Industria: cortado, guiado de maquinaria y robots de fabricación, mediciones de distancias precisas mediante láser.

ü  Defensa: Guiado de misiles balísticos, alternativa al radar, cegando a las tropas enemigas. En el caso del Tactical High Energy Laser se está empezando a usar el láser como destructor de blancos.

ü  Ingeniería civil: guiado de máquinas tuneladoras en túneles, diferentes aplicaciones en la topografía como mediciones de distancias en lugares inaccesibles o realización de un modelo digital del terreno (MDT).

ü  Arquitectura: catalogación de patrimonio.

ü  Arqueológico: documentación.

ü  Investigación: espectroscopia, interferometría láser, LIDAR, distanciometría.

ü  Desarrollos en productos comerciales: impresoras láser, CD, ratones ópticos, lectores de código de barras, punteros láser, termómetros, hologramas, aplicaciones en iluminación de espectáculos.

ü  Tratamientos cosméticos y cirugía estética: tratamientos de Acné, celulitis, tratamiento de las estrías, depilación.

6.5. TRANSMISORES Y RECEPTORES ÓPTICOS

En las comunicaciones a través de fibras ópticas los transmisores y receptores ópticos son los dispositivos encargados de tomar la señal eléctrica en forma de voltaje o corriente y convertirla en una señal luminosa con el objetivo de transportar información a través de la fibra. La complejidad del transmisor y receptor depende del tipo de señal o información que se quiere enviar, si es análoga o digital, el tipo de codificación, y de la clase de fuente luminosa que se va a modular.

Básicamente, el detector es un dispositivo que convierte fotones en electrones, un receptor se compone de un detector y de los circuitos necesarios asociados que lo capaciten para funcionar en un sistema de comunicaciones ópticas, transformando señales de frecuencias ópticas a frecuencias inferiores, con la mínima adición de ruido indeseable y con un ancho de banda suficiente para no distorsionar la información contenida en la señal (analógica o digital).

Emisores ópticos

Entre los emisores ópticos tenemos a los diodos LED y los diodos LASER.

      Diodos LED

Son fuentes de luz con emisión espontánea o natural (no coherente), son diodos semiconductores de unión p-n que para emitir luz se polarizan directamente.

La energía luminosa emitida por el LED es proporcional al nivel de corriente de la polarización del diodo.

En la figura anterior vemos la representación característica de potencia óptica- corriente de polarización.

Existen dos tipos de LED:

• LED de superficie que emite la luz a través de la superficie de la zona activa.
• LED de perfil que emite a través de la sección transversal (este tipo es mas direccional)

     Diodos LASER (LD)

Son fuentes de luz coherente de emisión estimulada con espejos semireflejantes formando una cavidad resonante, la cual sirve para realizar la retroalimentación óptica, así como el elemento de selectividad (igual fase y frecuencia).

La emisión del LD es siempre de perfil, estos tienen una corriente de umbral y a niveles de corriente arriba del umbral la luz emitida es coherente, y a niveles menores al umbral el LD emite luz incoherente como un LED.

La figura muestra una comparación de los espectros emitidos por un LED y un LD.

Como las características de los espejos son funciones tanto de la temperatura, como de la operación; la característica potencia óptica- corriente de polarización es función de la temperatura y sufre un cierto tipo de envejecimiento. Una representación gráfica de la corriente de umbral, del proceso de envejecimiento se ilustra en la a continuación.

Receptor Óptico

El propósito del receptor óptico es extraer la información contenida en una portadora óptica que incide en el fotodetector. En los sistemas de transmisión analógica el receptor debe amplificar la salida del fotodetector y después demodularla para obtener la información. En los sistemas de transmisión digital el receptor debe producir una secuencia de pulsos (unos y ceros) que contienen la información del mensaje transmitido.

Una configuración básica es el receptor de detección directa, el fotodetector convierte el flujo de los fotones incidentes en un flujo de electrones. Después esta corriente es amplificada y procesada. Existen dos tipos de fotodiodos usuales para recepción óptica, fotodiodo PIN y fotodiodo de avalancha APD.

Modelos de un típico receptor óptico con detección directa

En la práctica, para los receptores de detección directa con fotodiodos PIN, el factor limitante de la sensibilidad del receptor es el ruido térmico, generado en la salida del fotodiodo. Existe dos  alternativas para superar esta limitación, una  es el uso de fotodiodo de avalancha APD, donde el mecanismo de multiplicación de la corriente fotogenerada en el fotodiodo amplifica la señal fotodetectado. La segunda alternativa es la utilización de un pre-amplificador óptico antes del fotodetector, para amplificar la señal óptica antes de la detección.

Modelo  de un típico receptor óptico con detección directa utilizando un pre-amplificador óptico

Una configuración más compleja de receptor óptico es el empleo de los receptores de detección coherente, con el nivel de potencia del oscilador local tan alto que el ruido térmico se hace mucho menor que el producto del batimiento entre la señal del oscilador local y la señal recibida. La figura presenta el esquema simplificado de detección coherente.

Modelo  de un típico receptor óptico con detección coherente

En el caso del esquema coherente, la señal detectada posee una frecuencia intermediaria dada por:

Donde:

f_FI es la frecuencia intermediaria

f_S es la frecuencia de la señal recibida y

f_LO es la frecuencia del oscilador local.

En los sistemas homodinos, la frecuencia intermediaria es igual a cero y, en los heterodinos, ella es diferente de cero, o sea, el espectro está simplemente trasladado de la frecuencia óptica para la frecuencia intermediaria. Por su parte, en el sistema homodino, como la frecuencia intermediaria es nula, ocurre una concentración de las energías de las dos bandas laterales en la única banda existente.

Debemos considerar los mismos parámetros básicos para diferenciar las características de los receptores analógicos y digitales. Los parámetros de los receptores analógicos son la linealidad  o distorsión y el ancho de banda, mientras que para receptores digitales la linealidad no es importante y el ancho de banda se reemplaza por la máxima velocidad de transmisión. La potencia de ruido equivalente de un receptor es generalmente mayor que en la de un fotodetector sólo. Otras consideraciones son la relación señal/ruido para los receptores analógicos y la tasa de errores (número de bits equivocados recibidos) para receptores digitales. Se debe notar que la fuente principal de ruido en el receptor es la etapa amplificadora que sigue al fotodetector.

Debemos considerar las características eléctricas de salida (codificación para transmisores digitales y nivel e impedancia de salida para las analógicas). Muchos receptores tienen circuitos de control automático de ganancia (CAG) para mantener el mismo nivel de salida cualquiera sea el nivel de entrada. Dado que el rango del nivel de entrada esta limitado por el fotodetector, hay una potencia máxima sobre la cual se satura y una potencia mínima que representa la mínima detectable. Esta última es importante para determinar la máxima longitud de fibra que se puede usar sin repetidores. Otras características ópticas de los fotodetectores tales como el rango de longitudes de onda de trabajo y el tipo de encapsulado deben ser considerados al elegir.

Los receptores ópticos actuales se basan en uno de los dos tipos de detectores: el fotodiodo de avalancha APD y el diodo PIN seguido por un preamplificador de entrada FET (Transistor de Efecto de Campo). Para señales digitales binarias, el caso más común basta con 22dB de relación señal/ruido. Un APD de calidad (de bajo ruido) podría dar una sensibilidad superior. Las relaciones señal eficaz de portadora/ruido eficaz en señales analógicas han de estar entre los 30dB y los 65dB.

Si las señales están moduladas en intensidad, el ruido dominante es el granular (shot) asociado a la corriente media de la señal, para relaciones portadora/ruido mayores de unos 40dB. En estos casos la mejor opción son los receptores PIN-FET.

Ruido en los receptores ópticos

La capacidad de un receptor óptico para detectar señales de luz débiles depende de su sensibilidad y en particular del ruido propio. Los agentes causantes del ruido son la señal óptica, el diodo en sí y el circuito eléctrico que le sigue. El límite en cuanto a detección se da cuando la suma de todas las corrientes de ruido (cuántico, de la corriente de oscuridad, granular, térmico) iguala a la corriente de la señal a la salida del receptor. Esta potencia equivalente al ruido suele ser sin embargo menos importante que la potencia óptica (mínima) requerida para garantizar la deseada relación señal/ruido o tasa de error.

Pueden presentarse alguna o todas las fuentes de ruido siguientes:

-          Ruido granular en la corriente media de la señal.

-          Exceso de ruido granular en la corriente media de la señal, debido al ruido en la multiplicación de avalancha.

-          Ruido creado por la corriente de oscuridad del detector.

-          Ruido procedente del amplificador.

Incluso con un APD perfecto, hay un límite fundamental en el cual el rendimiento sólo depende del ruido granular en la corriente media de la señal. Corrientemente se le denomina límite cuántico, ya que los electrones de la corriente de señal están relacionados directamente con los fotones ópticos. Se puede demostrar que deben recibirse al menos 21 fotones para un “l” si se quiere obtener una tasa de error de 10^-9 en sistemas digitales.

Detectores ópticos

Son los encargados de transformar las señales luminosas en señales eléctricas. En los sistemas de transmisión analógica el receptor debe amplificar la salida del fotodetector y después demodularla para obtener la información. En los sistemas de transmisión digital el receptor debe producir una secuencia de pulsos (unos y ceros) que contienen la información del mensaje transmitido.

Las características principales que debe tener son:

• Sensibilidad alta a la longitud de onda de operación
• Contribución mínima al ruido total del receptor
• Ancho de banda grande (respuesta rápida)

Estos fotodetectores son diodos semiconductores que operan polarizados inversamente.  Durante la absorción de la luz, cuando un fotodetector es iluminado, las partículas de energía luminosa, también llamadas fotones, son absorbidas generando pares electrón - hueco, que en presencia de un campo eléctrico producen una corriente eléctrica.

Estos dispositivos son muy rápidos, de alta sensibilidad y pequeñas dimensiones.  La corriente eléctrica generada por ellos es del orden de los nanoamperios y por lo tanto se requiere de una amplificación  para manipular adecuadamente la señal.

6.6. COMUNICACIÓN POR INFRARROJO

Receptor de infrarrojos IRM8601S

Diagrama lógico del IRM8601S

Circuito de aplicación del IRM8601S

Versión metálica del IRM8601S (y mi dedo)

La hoja de datos lista las siguientes características:

• Inmunidad contra interferencias electromagnéticas.
• Disponible en cápsula metálica.
• Lente elíptico que mejora la recepción
• Bajo voltaje y bajo consumo
• Alta inmunidad a la luz ambiente
• Fotodiodo con circuito integrado
• Compatible con TTL y CMOS
• Recepción a larga distancia
• Elevada sensibilidad

Otros receptores de tipo similar:

• Vishay TSOP 1738
• Vishay TSOP 1838
• Vishay TSOP 11.. series
• Siemens SFH 506 (discontinuado)
• Siemens SFH 5110 (sucesor del SFH 506)
• Radio Shack 276-0137
• Everlight IRM 8100-3-M (Radio Shack part no. 276-0137B)
• Mitsumi IR Preamp KEY-COOSV (0924G)
• TOSHIBA TK19 444 TFMS 5360
• TEMIC TFMS 5380 Por Telefunken Semiconductors
• Sharp IS1U60 (Disponible como RS)
• Sony SBX 1620-12
• Sharp GP1U271R
• Kodenshi PIC-12043S
• Daewoo DHR-38 C 28

Emisores de infrarrojo

La otra parte del sistema, la emisión, se puede solucionar con un control remoto universal de los que se venden a unos us$ 3,50 en Argentina. Los receptores como el que describimos están ajustados para estos emisores de infrarrojos para electrodomésticos, así que quizás no sea muy práctico complicarse con otros circuitos. Una de las maneras más directas será utilizar el mando para enviar órdenes al robot. La otra sería "hackear" el control remoto y utilizar su plaqueta para nuestro emisor, conectando el robot con el teclado.

Si de todos modos se desea implementar un circuito, se puede utilizar, por ejemplo, el integrado codificador HT12E (en Cika cuesta us$ 0,72), que codifica 12 entradas (8 de dirección y 4 de datos, o comandos) en una señal en serie (para decodificarlas se utilizaría su hermanito, el HT12D; en Cika cuesta us$ 0,81). El circuito a utilizar es:

Circuito de aplicación del HT12A                                                Circuito de un receptor con HT12D

Estudiando el formato de las señales del estándar que utilizan los controles remotos (o mando a distancia, como se les llama en algunos lugares), se puede crear la señal por programa, en un microcontrolador.

MCP2120: Codificador / Decodificador de infrarrojo

El integrado MCP2120 de Microchip (disponible en Argentina en Cika por us$ 3,45) es muy interesante. Permite realizar una conversión entre los datos de una UART (Universal asynchronous receiver transmitter = Receptor Transmisor Asincrónico Universal) y la codificación IrDA, que es uno de los formatos de datos de los controles remotos de infrarrojos.

Los datos de una UART estándar (dentro de un microcontrolador, por ejemplo) se ingresan a este chip y se convierten en pulsos para enviar a un emisor de infrarrojos. Los datos recibidos por un receptor de infrarrojos como el que describimos antes se ingresa a este integrado y son convertidos a datos para una UART estándar. La velocidad de transferencia (baud rate) se define con unas entradas del chip, que permiten seleccionar entre un amplio rango de velocidades (dependiendo también de la frecuencia de reloj que se aplica al circuito). Por ejemplo, con un reloj de 14,7456 MHz se obtienen velocidades de 19.200, 38.400, 78.600, 115.200 y 230.400 baudios. Este último sería el valor máximo de velocidad que se puede alcanzar.

Circuito de aplicación del MCP2120 (La entrada MODO permite seleccionar
un modo de prueba en el que los datos son retornados al microcontrolador)

Módulos de transceptor para enlace infrarrojo

Bien, también existe esta opción: pidiéndolos a EEUU y pagando us$ 49 (más los gastos de envío) se puede contar con unos módulos ya armados que permiten una comunicación bidireccional por infrarrojos. Son unas pequeñas plaquetitas, cosa que se observa en la imagen. Trabajan con el estándar RC-5 de Philips para control remoto.

Juego de módulos bidireccionales de comunicación IR